美国物理学大师约翰·惠勒说过:今后谁不熟悉分形,谁就不能被称为科学上的文化人。由此可见分形的重要性。
分形几何学作为当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科,它的出现,使人们重新审视这个世界:世界是非线性的,分形无处不在。分形几何学不仅让人们感悟到科学与艺术的融合,数学与艺术审美的统一,而且还有其深刻的科学方法论意义。
在传统的几何学中,人们研究一个几何对象,总是习惯于在Euclid空间(Rn,Euclidean)对其研究和度量,其中字母n表示空间的维数,通常为整数,如n分别为1、2、3时,对应的空间为线性空间、平面空间、立体空间,在相应的空间中,我们可以测得几何对象的长度、面积、体积等。但是大约在1个世纪前,在数学领域,相继出现了一些被称为数学怪物(mathematical monsters)的东西,在传统的Euclid领域,人们无法用几何语言去表述其整体或局部性质,其中,比较著名的
数学怪物包括:
Von Koch曲线
Von Koch曲线 此曲线在一维下测量任意段长度为无穷大(想象中,考虑到能测量原子的维度);在二维下测量面积为零
Sierpinski三角形 此图形面积为零
这些数学怪物困扰数学家许多年,直至20世纪,被美国数学家Benoit B. Mandelbrot创立的分形几何学(fractal geometry)彻底解决。Mandelbrot提出:我们之所以无法用几何语言去描述这些数学怪物,是因为我们是在维数为整数的空间中,用维数同样是整数的“尺子”对其丈量、描述;而维数不应该仅仅是整数,可以是任何一个正实数;只有在几何对象对应的维数空间中,才能对该几何体进行合理的整体或局部描述。以上图的Koch曲线为例,其维数约为1.26,我们应用同样为1.26维的尺子对其进行描述,比如取该曲线前1/4段作为单位为1的尺子去丈量这个几何体,此几何体长度为4。也正是因其维数介于1维与2维之间,所以此几何体在1维下长度为无穷大,2维下面积为零。
Fractal这个词是由Mandelbrot于1975创造的,来源于拉丁文“Fractus”,其英文意思是broken,即为“不规则、支离破碎”的物体。